10162

- диаграмма состояния сплавов (IV рода), компоненты которой в твер-

дом виде образуют устойчивые химические соединения (рис. 2.17,г).

а б в г

Рис. 2.17. Зависимость между диаграммами состояния сплавов и их свойствами

Зависимость между составом, структурой и характером диаграмм со-

стояния впервые установил академик И. С. Курнаков. Построенные им диаграммы состав-свойство широко используются на практике. Твердость

(НВ), электрические и другие физические характеристики сплавов, затвер-

девающих согласно диаграмме состояния, компоненты которых не раство-

римы в твердом состоянии, изменяются по закону прямой линии (рис.

27,а).

Если в сплавах образуется непрерывный ряд твердых растворов, то свойства изменяются по криволинейной зависимости (рис. 27,б). В системе сплавов с ограниченной растворимостью компонентов и в случае образо-

вания химического соединения свойства изменяются в соответствии с принадлежностью той или иной части диаграммы к первому или второму типу (рис. 2.17, в и г).

60

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что называется фазой?

2.Что такое твердый раствор, какие типы твердых растворов вы знае-

те?

3.Что представляет из себя микроструктура твердого раствора?

4.Приведите примеры химических соединений металла.

5.Какие компоненты образуют фазы внедрения?

6.Что такое кривая охлаждения; критическая точка, что она показы-

вает?

7.Что такое эвтектика, при каких условиях она образуется?

8.Что такое перитектическое превращение?

9.Какие линии диаграммы носят название ликвидус и солидус, линии предельной растворимости?

10.Как повлияет на твердость сплава появление в его структуре хи-

мического соединения?

11.Что такое полиморфное превращение?

12.Как зависит изменение свойств сплавов от типа диаграмм состоя-

ния?

3.ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ (Fe – Fe3C)

3.1.Железо и его соединения с углеродом

Кжелезоуглеродистым сплавам относят стали и чугуны. Основными элементами, от которых зависят структура и свойства сталей и чугунов,

является железо и углерод.

Железо может находиться в двух аллотропических формах – α и γ.

Железо с углеродом образует твердые растворы внедрения и химические

61

соединения, α – железо растворяет углерода очень мало (до 0,02 % при температуре 727 °С).

Рис. 3.1. Микроструктура: а — феррит, X 200; б — аустенит, X 500;

в — цементит (в виде сетки), X 500

Твердый раствор углерода и других элементов в α – железе называет-

ся ферритом. Структура феррита показана на рис. 3.1,а. Феррит имеет низкую твердость и прочность: 80 НВ; ζв=250 МПа (25 кгс/мм2) и высокую пластичность и вязкость (δ = 50 %; ψ = 80 %; КСU = 2,5 МДж/м2). Поэтому технически чистое железо, структура которого представляет зерна ферри-

та, хорошо подвергается холодной деформации, т. е. хорошо штампуется,

прокатывается, протягивается в холодном состоянии. Чем больше феррита в железоуглеродистых сплавах, тем они пластичнее.

В значительно больших количествах растворяет углерод γ – железо

(до 2,14 % при температуре 1147°С). Твердый раствор углерода и других элементов в γ – железе называется аустенитом. Характерная особенность аустенита заключается в том, что он в железоуглеродистых сплавах может существовать только при высоких температурах. Как и всякий твердый раствор, аустенит имеет микроструктуру, представляющую собой зерна твердого раствора (рис. 3.1, б). Аустенит пластичен δ = 40 – 50 %, а твер-

дость его составляет 160 – 200 НВ.

Железо с углеродом также образуют химическое соединение Fe3C, на-

зываемое цементитом или карбидом железа. В цементите 6,67 % С; он имеет высокую твердость (800 НВ), но чрезвычайно низкую, практически

62

нулевую, пластичность. Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они облада-

ют. При микроскопическом исследовании цементит выявляется в виде светлых кристаллов (сетка на рис. 3.1, б). Цементит неустойчив (метаста-

билен) и при определенных условиях может распадаться, выделяя свобод-

ный углерод в виде графита.

3.2. Компоненты, фазы, линии и точки диаграммы (Fe – Fe3C)

Диаграмма состояния Fe – Fe3C приведена на рис. 3.2. На этой диа-

грамме точка А (1539 °С) соответствует температуре плавления (затверде-

вания) железа, а точка D (≈1600°С) – температуре плавления (затвердева-

ния) цементита. Линия AВCD – это линия ликвидуса, показывающая тем-

пературы начала затвердевания (конца плавления) сталей и белых чугунов.

При температурах выше линии AВCD – сплав жидкий. Линия AНJECF –

это линия солидуса, показывающая температуры конца затвердевания

(начала плавления).

По линии ликвидуса АВС (при температурах, соответствующих линии

АВС) из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии ликвидуса

CD – цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при темпе-

ратуре 1147°С и содержании 4,3 % углерода из жидкого сплава одновре-

менно кристаллизуется аустенит и цементит первичный, образуя эвтекти-

ку, называемую ледебуритом. При температурах, соответствующих линии солидуса АHJЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14 % окончательно затвердевают с образованием структуры аустенита. На линии солидуса ЕС

(1147°С) сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % окончательно затвердевают с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется аустенит, следова-

тельно, такие сплавы после затвердевания имеют структуру аустенит +

ледебурит.

63

На линии солидуса CF (1147°С) сплавы с содержанием углерода от 4,3

до 6,67 % окончательно затвердевают также с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется цементит (первичный), следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют структуру – первичный цементит + ледебурит.

В области АВСЕJHА, между линией ликвидуса АС и солидуса АHJЕС,

имеется жидкий сплав + кристаллы аустенита; в области CDF, между ли-

нией ликвидуса CD и солидуса CF, – жидкий сплав + кристаллы цементита

(первичного).

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержани-

ем углерода до 2,14 % образуется однофазная структура – аустенит.

Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кри-

сталлизации в равновесных условиях получается аустенитная структура,

называют сталями. Следовательно, сталь – это железоуглеродистые спла-

вы с содержанием углерода до 2,14 %.

Сплавы с содержанием углерода более 2,14 %, в которых при кри-

сталлизации образуется эвтектика ледебурит, называют чугунами. Следо-

вательно, чугун – это железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14 %. В рассматриваемой системе практически весь углерод нахо-

дится в связанном состоянии, в виде цементита. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют бе-

лыми.

64

Рис. 3.2. Диаграмма состояния Fe – Fe3C

В железоуглеродистых сплавах превращения в твердом состоянии ха-

рактеризуют линии GSE, PSK, PQ.

Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит (при охлаждении). Следовательно, в области GSP имеется структура аустенит +

феррит. Критические точки, лежащие на линии GS обозначают А3; при нагреве их обозначают Ас3, а при охлаждении – Аr3. Линия SE показывает,

что с понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается. Так, при 1147°С в аустените может раствориться углерода

2,14 %, а при 727°С – 0,8 %. С понижением температуры в сталях с содер-

жанием углерода от 0,8 до 2,14 % из аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого вторичным.

Следовательно, ниже линии SE (до температуры 727°С) сталь имеет структуру: аустенит + цементит вторичный.

65

Критические точки, лежащие на линии SE, обозначаются Аст. В чугу-

нах с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % при 1147°С, кроме ледебури-

та, есть аустенит, из которого при понижении температуры тоже выделяет-

ся вторичный цементит. Следовательно, ниже линии ЕС (до температуры

727°С) белый чугун имеет структуру: ледебурит + аустенит + цементит вторичный.

Линия PSK (727°С) – это линия эвтектоидного превращения. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цемен-

тита и называемую перлитом. Критические точки, лежащие на линии PSK,

обозначаются А1, при нагреве их обозначают Аc1, а при охлаждении – Аr1.

Рис. 3.3. Микроструктура стали: а – доэвтектоидная сталь, феррит

(светлые участки) и перлит (темные участки), Х 500;

б – эвтектоидная сталь, перлит, Х 1000; в – заэвтектоидная сталь, пер-

лит и цементит (в виде сетки), Х 200

Ниже 727°С железоуглеродистые сплавы имеют следующие структу-

ры. Стали, содержащие углерода менее 0,8 %, имеют структуру феррит +

перлит и называются доэвтектоидными сталями (рис. 3.3,а).

Сталь с содержанием углерода 0,8 % имеет структуру перлита и назы-

вается эвтектоидной сталью (рис. 3.3,б).

66

Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14% имеют структуру пер-

лит + цементит (вторичный) и называются заэвтектоидными сталями (рис.

3.2,в).

Белые чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % имеют струк-

туру перлит + вторичный цементит + ледебурит и называются доэв-

тектическими чугунами (рис. 3.3,а).

Белый чугун с содержанием углерода 4,3 % имеет структуру ледебу-

рита и называется эвтектическим чугуном (рис. 3.3,б).

Белые чугуны с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % имеют струк-

туру цементит первичный + ледебурит и называются заэвтектическими чугунами (рис. 3.3,в).

Рис. 3.3. Микроструктура белого чугуна: а – доэвтектический чугун,

перлит (темные участки) и ледебурит (цементит вторичный в структуре не виден), Х 500; б – эвтектический чугун, ледебурит (темные участки – пер-

лит, светлые – цементит) Х 1000; в – заэвтектический чугун, цементит

(светлые пластины) и ледебурит, Х 500

Линия PQ (рис. 3.1) показывает, что с понижением температуры рас-

творимость углерода в феррите уменьшается от 0,02 % при 727°С до 0,006 % при комнатной температуре. При охлаждении ниже температуры 727°С

из феррита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемо-

67

го третичным. В большинстве сплавов железа с углеродом третичный цементит структурно не выявляется.

Рис. 3.4. Микроструктура низкоуглеродистой стали (по границам зе-

рен феррита третичный цементит)

Однако в низкоуглеродистых сталях в условиях медленного охлажде-

ния третичный цементит выделяется по границам зерен феррита (рис. 3.4),

уменьшая пластические свойства стали, особенно еѐ способность к холод-

ной штамповке.

3.3. Превращения, происходящие при нагреве и охлаждении сталей и чугунов

Сталь доэвтектоидная с содержанием 0,3 % углерода (рис. 3.5).

При нагреве до Ac1 (727°С) превращений нет, и сталь имеет структуру перлит + феррит. При Ас1 (727°С) происходит превращение перлита в аустенит и образуется структура аустенит + феррит. От Ас1 до Ас3 феррит превращается в аустенит. При Ас3 сталь имеет структуру аустенита.

От Ас3 до tc1 (температуры солидуса) сталь находится в твердом со-

стоянии и имеет структуру аустенита. При температуре солидуса начина-

ется плавление аустенита.

68

Рис. 3.5. Диаграмма состояния Fe – Fe3C (в упрощенном виде)

От температуры солидуса tc1 до температуры ликвидуса tл1 имеется аустенит + жидкий сплав. Выше tл1, сталь находится в жидком состоянии.

При охлаждении до температуры tл1 сталь находится в жидком со-

стоянии. При tл1 начинается кристаллизация аустенита. От tл1 до tс1 проис-

ходит кристаллизация аустенита, и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. От tл1 до Аr3 сталь имеет структуру аустенита. От Аr3 до Аr1 часть аустенита превращается в феррит, и сталь имеет структуру: аустенит +

феррит. При Аr1 (727°С) происходит превращение аустенита в перлит.

Ниже Ar1 сталь до полного охлаждения имеет структуру: перлит + феррит

(рис. 3.3,а).

Сталь эвтектоидная с содержанием 0,8 % углерода (рис. 3.5). При нагреве до Ас1 (727°С) превращений нет, и сталь имеет перлитную струк-

туру. При Ac1 происходит превращение перлита в аустенит. Выше Ac1 до начала плавления сталь имеет аустенитную структуру. При температуре солидуса (для этой стали tc2) начинается плавление аустенита. От tc2 до tл2

(температура ликвидуса) происходит плавление, и сталь состоит из аусте-

69